热交换器原理与设计 热交换器基本原理
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以间壁式换热器为基础介绍换热器的热（力）计算， 其他形式的换热器计算方法相同。
设计性计算 设计新换热器，确定其面积。但同样大小的传热 面积可采用不同的构造尺寸，而不同的构造尺寸 会影响换热系数，故一般与结构计算交叉进行。
校核性计算 针对现有换热器，确定流体的进出口温度。了解 其在非设计工况下的性能变化，判断其是否能满 足新的工艺要求。
对流换热。 要计算沿整个换热面的平均温差，首先需要 知道温差随换热面的变化，即 Δtx= f(Fx)，然后 再沿整个换热面积进行平均。
1.2.1 流体的温度分布
t1 冷凝
t1 冷凝
t2 沸腾
t2′
a：两种流体都有相变
t1′
t1′
放热
t1″
t2 沸腾
t2′
c：一种流体有相变
t2″
吸热
b：一种流体有相变
(a) 两种流体不混合
(b) 一种流体混合，另一种不混合
图1.4 错流热交换器
板式
板翅式
管 翅 式
对这种复杂流动，数学推导将非常复杂。 可以在纯逆流的对数平均温差基础上进行 修正，以获得其它流动方式的平均温差。
放热
t1″
吸热
t2″
d：顺流，无相变
t1′
t1′ 过热蒸汽冷却
放热
冷凝
t2″
t1″ t2″
过冷
t1″
吸热
t2′
吸热
t2′
e ：逆流，无相变
f ：一种流体有相变
t1′
放热
t2″ 过热
t1′ t1″ t2″
沸腾 吸热 t2′
部分冷凝
t1″
吸热
t2′
g ：一种流体有相变
h：可凝蒸气和非凝结性 气体混合物的冷凝
通过板面进行传热的换热器。按传热板的结 构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式等。 3. 特殊形式换热器
根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的 换热器。如回转式、热管式换热器等。
内部构造
管壳式换热器的外形
管壳式换热器端部流程安排
多流程焊接式换热器
1 热交换器热计算基本原理
热(力)计算是换热器设计的基础
热流体
而是轮流与壁面接触。当与热
流体接触，蓄热体接受热量，温
度升高；与冷流体接触，将热量 传给冷流体，蓄热体温度下降，
热流体
冷流体
达到换热目的。 特点：结构简单，可耐高温，
蓄热式换热器示意图
体积庞大，不能完全避免两种流
体的混和。
适于高温气体热量的回收或冷
却。如回转式空气预热器。
按材料分：
1. 金属材料换热器 常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、
汽化。为蒸馏过程专用设备。
按热量传递方式分：
1. 间壁式换热器（表面式换热器、 t1
间接式换热器） 冷、热流体被固体壁面隔开， 互不接触，热量由热流体通过
热Q
流 体
tw1
壁面传递给冷流体。的场合。
如各种管壳式、板式结构的换热器。
Q
冷 流 tw2 体 t2
1.1 热计算基本方程
1. 传热方程：
Q = k·F·Δtm
F
Q = 0 k·Δt·dF
2.
热 Q M1(i1' i"1 ) M2 (i"2 i'2 )
平
衡 Q1 M1C1(t"1 t'1 ) M1C1 Δt1
方
程 Q2 M2C2 (t"2 t'2 ) M2C2 Δt2
热容量： W = M·C (W/℃) Q = W1 ·Δt1 =W2 ·Δt2
W1 Δt2 W2 Δt1
平行流：顺流和逆流
Hot fluid Cold fluid
Hot fluid Cold fluid
t t’
t1 (hot) t”
t2 (cold) x
顺流
t
t’
t1
t”
t2 x
逆流
1.2 平均温差
对顺、逆流的传热温差分析，作如下假设： 1. 冷热流体的质量流量和比热是常数； 2. 传热系数是常数； 3. 热交换器没有热损失； 4. 换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计； 5. 同种流体从进口到出口既无相变也无单相
换热器分类与型式
1 换热器的定义：将某种流体的热量以一定的传热
方式传递给他种流体的设备。
2 换热器的分类：
间壁式
套管式
交 壳叉 管流 式(换管热壳器式)
管束式 管翅式
按热量传递方式分：
板式
板翅式
螺旋板式
混合式
蓄热式
按两种流体的相对流动方向分： 顺流、逆流、顺逆混合流、交叉流
按用途分：
1. 加热器：用于把流体加热到所需温度，被加热流 体在加热过程中不发生相变。
2. 混合式换热器 (直接接触式) 冷、热流体直接接触，相互 混合传递热量。
特点：结构简单，传热效率高。 适于冷、热流体允许混合的场合。 如冷却塔、喷射式等。
热流体 冷流体
3. 蓄热式换热器(回流式换热器、 蓄热器) 借助于热容量较大的固体蓄热
体，将热量由热流体传给冷流体。
有固体壁面，两流体并非同时， 冷流体
1.2.2 顺流、逆流下的平均温差
Δt x Δte μkFx
当 Fx = F 时，Δtx =Δt"
Δt" ΔteμkF
μ 1 1 W1 W2
+：顺流 -：逆流
顺流与逆流的区别：
顺流： Δt t1 t2 Δt t1 t2
逆流：Δt t1 t2 Δt t1 t2
将对数平均温差 写成统一形式 (顺/逆流都适用)
铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热 系数大，故此类换热器的传热效率高。 2. 非金属材料换热器
常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。 因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的 传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。
按传热面形状和结构分
1. 管式换热器 通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管
结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、 套管式换热器、翅片式换热器等。 2. 板式换热器
Δtm
Δtmax Δtmin ln Δtmax
Δtmin
算术平均温差
平均温差另一种更为简单的形式是 算术平均温差，即：
Δtm, 算术
Δtmax
2
Δt min
当 Δtmax Δtmin 2 时，两者的差别小于4％；
当 Δtmax Δtmin 1.7 时，两者的差别小于2.3％。
1.2.3 其它流动方式下的平均温差 实际换热器一般处于顺流和逆流之间， 更多的是多流程、错流的复杂流动。
2. 预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺装置 的效率。
3. 过热器：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。 4. 冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。 5. 蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。 6. 冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出
潜热而凝结液化。 7. 再沸器：用于加热已被冷凝的液体，使其再受热
设计性计算 设计新换热器，确定其面积。但同样大小的传热 面积可采用不同的构造尺寸，而不同的构造尺寸 会影响换热系数，故一般与结构计算交叉进行。
校核性计算 针对现有换热器，确定流体的进出口温度。了解 其在非设计工况下的性能变化，判断其是否能满 足新的工艺要求。
对流换热。 要计算沿整个换热面的平均温差，首先需要 知道温差随换热面的变化，即 Δtx= f(Fx)，然后 再沿整个换热面积进行平均。
1.2.1 流体的温度分布
t1 冷凝
t1 冷凝
t2 沸腾
t2′
a：两种流体都有相变
t1′
t1′
放热
t1″
t2 沸腾
t2′
c：一种流体有相变
t2″
吸热
b：一种流体有相变
(a) 两种流体不混合
(b) 一种流体混合，另一种不混合
图1.4 错流热交换器
板式
板翅式
管 翅 式
对这种复杂流动，数学推导将非常复杂。 可以在纯逆流的对数平均温差基础上进行 修正，以获得其它流动方式的平均温差。
放热
t1″
吸热
t2″
d：顺流，无相变
t1′
t1′ 过热蒸汽冷却
放热
冷凝
t2″
t1″ t2″
过冷
t1″
吸热
t2′
吸热
t2′
e ：逆流，无相变
f ：一种流体有相变
t1′
放热
t2″ 过热
t1′ t1″ t2″
沸腾 吸热 t2′
部分冷凝
t1″
吸热
t2′
g ：一种流体有相变
h：可凝蒸气和非凝结性 气体混合物的冷凝
通过板面进行传热的换热器。按传热板的结 构形式可分为平板式、螺旋板式、板翅式等。 3. 特殊形式换热器
根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的 换热器。如回转式、热管式换热器等。
内部构造
管壳式换热器的外形
管壳式换热器端部流程安排
多流程焊接式换热器
1 热交换器热计算基本原理
热(力)计算是换热器设计的基础
热流体
而是轮流与壁面接触。当与热
流体接触，蓄热体接受热量，温
度升高；与冷流体接触，将热量 传给冷流体，蓄热体温度下降，
热流体
冷流体
达到换热目的。 特点：结构简单，可耐高温，
蓄热式换热器示意图
体积庞大，不能完全避免两种流
体的混和。
适于高温气体热量的回收或冷
却。如回转式空气预热器。
按材料分：
1. 金属材料换热器 常用的材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、
汽化。为蒸馏过程专用设备。
按热量传递方式分：
1. 间壁式换热器（表面式换热器、 t1
间接式换热器） 冷、热流体被固体壁面隔开， 互不接触，热量由热流体通过
热Q
流 体
tw1
壁面传递给冷流体。的场合。
如各种管壳式、板式结构的换热器。
Q
冷 流 tw2 体 t2
1.1 热计算基本方程
1. 传热方程：
Q = k·F·Δtm
F
Q = 0 k·Δt·dF
2.
热 Q M1(i1' i"1 ) M2 (i"2 i'2 )
平
衡 Q1 M1C1(t"1 t'1 ) M1C1 Δt1
方
程 Q2 M2C2 (t"2 t'2 ) M2C2 Δt2
热容量： W = M·C (W/℃) Q = W1 ·Δt1 =W2 ·Δt2
W1 Δt2 W2 Δt1
平行流：顺流和逆流
Hot fluid Cold fluid
Hot fluid Cold fluid
t t’
t1 (hot) t”
t2 (cold) x
顺流
t
t’
t1
t”
t2 x
逆流
1.2 平均温差
对顺、逆流的传热温差分析，作如下假设： 1. 冷热流体的质量流量和比热是常数； 2. 传热系数是常数； 3. 热交换器没有热损失； 4. 换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计； 5. 同种流体从进口到出口既无相变也无单相
换热器分类与型式
1 换热器的定义：将某种流体的热量以一定的传热
方式传递给他种流体的设备。
2 换热器的分类：
间壁式
套管式
交 壳叉 管流 式(换管热壳器式)
管束式 管翅式
按热量传递方式分：
板式
板翅式
螺旋板式
混合式
蓄热式
按两种流体的相对流动方向分： 顺流、逆流、顺逆混合流、交叉流
按用途分：
1. 加热器：用于把流体加热到所需温度，被加热流 体在加热过程中不发生相变。
2. 混合式换热器 (直接接触式) 冷、热流体直接接触，相互 混合传递热量。
特点：结构简单，传热效率高。 适于冷、热流体允许混合的场合。 如冷却塔、喷射式等。
热流体 冷流体
3. 蓄热式换热器(回流式换热器、 蓄热器) 借助于热容量较大的固体蓄热
体，将热量由热流体传给冷流体。
有固体壁面，两流体并非同时， 冷流体
1.2.2 顺流、逆流下的平均温差
Δt x Δte μkFx
当 Fx = F 时，Δtx =Δt"
Δt" ΔteμkF
μ 1 1 W1 W2
+：顺流 -：逆流
顺流与逆流的区别：
顺流： Δt t1 t2 Δt t1 t2
逆流：Δt t1 t2 Δt t1 t2
将对数平均温差 写成统一形式 (顺/逆流都适用)
铝及铝合金、钛及钛合金等。因金属材料导热 系数大，故此类换热器的传热效率高。 2. 非金属材料换热器
常用的材料有石墨、玻璃、塑料、陶瓷等。 因非金属材料导热系数较小，故此类换热器的 传热效率较低。常用于具有腐蚀性的物系。
按传热面形状和结构分
1. 管式换热器 通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管
结构形式可分为管壳式换热器、蛇管式换热器、 套管式换热器、翅片式换热器等。 2. 板式换热器
Δtm
Δtmax Δtmin ln Δtmax
Δtmin
算术平均温差
平均温差另一种更为简单的形式是 算术平均温差，即：
Δtm, 算术
Δtmax
2
Δt min
当 Δtmax Δtmin 2 时，两者的差别小于4％；
当 Δtmax Δtmin 1.7 时，两者的差别小于2.3％。
1.2.3 其它流动方式下的平均温差 实际换热器一般处于顺流和逆流之间， 更多的是多流程、错流的复杂流动。
2. 预热器：用于流体的预热，以提高整套工艺装置 的效率。
3. 过热器：用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。 4. 冷却器：用于冷却流体，使其达到所需温度。 5. 蒸发器：用于加热液体，使其蒸发汽化。 6. 冷凝器：用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出
潜热而凝结液化。 7. 再沸器：用于加热已被冷凝的液体，使其再受热